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武漢理工大學(xué)李寶文教授團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：間歇抽濾工藝制備MXene/芳綸納米纖維膜用于高效電磁屏蔽和熱管理
2023-01-20  來源：高分子科技

  5G通信技術(shù)推動(dòng)了電子設(shè)備的快速發(fā)展。具有高集成度和高功率密度的電子設(shè)備會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生大量電磁輻射和熱積累問題，嚴(yán)重制約系統(tǒng)的工作精度和穩(wěn)定性，并危害人體健康。新一代集成電子器件迫切需要兼具柔性、魯棒性、環(huán)境穩(wěn)定性和熱管理性能的高效電磁屏蔽材料，以滿足電子設(shè)備智能化和可穿戴化的發(fā)展趨勢(shì)。二維過渡金屬碳氮化物和/或氮化物MXene因其卓越的金屬導(dǎo)電性、輕質(zhì)和易加工等特性被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽屏蔽領(lǐng)域。然而，MXene的力學(xué)性能差和易氧化等問題嚴(yán)重制約其實(shí)際應(yīng)用。通過引入一維納米纖維可以改善MXene材料的機(jī)械強(qiáng)度，然而，常規(guī)的制備策略難以調(diào)控材料的取向和分布，并導(dǎo)致納米片的聚集。改善MXene的取向度并平衡復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱管理和電磁屏蔽效能仍然是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。


  近期，武漢理工大學(xué)智能材料與器件研究中心李寶文教授團(tuán)隊(duì)采用間歇抽濾工藝制備了具有“磚-砂漿”結(jié)構(gòu)的柔性、高強(qiáng)度和高取向的MXene/ANF復(fù)合膜，用于高效電磁屏蔽和熱管理。間歇抽濾工藝促使MXene納米片在基體中沿面內(nèi)方向取向，以形成高度有序的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并改善了納米片在基體中的分布，避免MXene沉積和自堆疊問題。得益于MXene和ANF表面豐富的官能團(tuán)，一維剛性ANF可以與MXene導(dǎo)電層通過價(jià)鍵效應(yīng)形成良好的界面相互作用，復(fù)合膜表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和抗彎折性能。在MXene含量高達(dá)80 wt%時(shí)，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和韌性達(dá)到155.7 MPa、4.8%和5.8 MJ/m3，分別是純MXene膜的2.85、4.8和21.1倍；陂g歇抽濾工藝改善了材料的結(jié)構(gòu)分布，MXene含量為50 wt%時(shí)，復(fù)合膜的電磁屏蔽效能（EMI SE）為44.0 dB，比屏蔽效能（SSE/t）高達(dá)18847.6 dB cm2/g，優(yōu)于相同含量下真空抽濾制備的復(fù)合膜。MXene/ANF復(fù)合膜在熱管理方面也表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。復(fù)合膜的面外熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)最高可達(dá)0.59 W/m·K和0.4 mm2/s。此外，復(fù)合膜表現(xiàn)出兼具快速效應(yīng)能力和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的焦耳加熱性能，在4 V負(fù)載電壓下復(fù)合膜的加熱溫度可以達(dá)到89.0℃。 


圖1 MXene/ANF復(fù)合膜的制備示意圖和材料表征 


圖2 MXene/ANF復(fù)合膜的力學(xué)性能
 

圖3 MXene/ANF復(fù)合膜的電磁屏蔽性能
 

圖4 MXene/ANF復(fù)合膜的導(dǎo)熱性能

圖5 MXene/ANF復(fù)合膜的焦耳加熱性能


  該工作以“Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Management Properties in MXene/Aramid Nanofiber Films Fabricated by Intermittent Filtration”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。該論文第一作者是武漢理工大學(xué)碩士研究生劉晨旭，通訊作者為李寶文教授。該研究得到重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金的資助和支持。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20101

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